《路面设计方法》PPT课件.ppt

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1、2023/8/1,1,交流材料之一,AASHTO路面结构设计和典型结构,2023/8/1,2,1.1 现行AASHTO路面设计方法的发展,1.AASHTO路面设计指南,AASHO试验路时间:50年代地点:Ottawa,IllinoisAASHO 试验路的主要成果提出了服务能力PSI的概念提出了ESAL的概念提出了结构数(SN)的概念提出了简化的设计回归方程,2023/8/1,3,AASHTO 柔性路面设计公式,1972,1986和1993,2023/8/1,4,AASHTO设计方法的应用现状,数据来源：美国联邦公路局M-E路面设计讲座,2023/8/1,5,1.2 现行AASHTO路面设计方法

2、的缺陷,设计方法只适合于和AASHO试验路相同的条件：一种气候条件，新路的修建两年观测数据，ESALs不超过2百万50年代的车辆，材料和施工条件ESALs的换算标准采用PSI，无法采用ESALs可靠地预测路面的损坏如车辙，疲劳开裂，错台等.,2023/8/1,6,2.1 2002 路面设计指南的提出,2.2002 路面设计指南,NCHRP 1-37A目的：研究新的力学-经验路面设计方法主要研究单位：ERES，亚利桑那州立大学研究期限：1996-2002/2004配套的研究课题NCHRP 1-39：交通数据收集，分析和预测NCHRP 1-40：应用NCHRP 1-41：反射裂缝NCHRP 1-4

3、2：Top-Down 裂缝NCHRP 9-30A：沥青混合料模型校正,Top-Down 裂缝,2023/8/1,7,NCHRP 1-37A最终成果超过1000页的研究报告2002 路面设计分析软件,2023/8/1,8,FHWA新指南推广2002 Design GuideM-E Design GuideNCHRP 1-37A Guide参加的14个州,2023/8/1,9,2.2 AASHTO 1993和2002 路面设计指南的差异,1993指南：单一的水平2002 指南：按数据精度分成三种水平水平一 具体项目，实测，精度最高水平二 按公式定，相当于1993的精度水平水平三 地区平均值，精度最

4、差,(1)设计输入参数水平,2023/8/1,10,1993指南：季节性路基模量和排水参数2002 指南：EICM产生公路气候有关的参数，如热参数，风速，大气温度，地下水位，太阳辐射，降水量，路面厚度预测每小时路面温度变化预测含水量变化和冻融变化对材料模量进行修正,(2)气候参数,注：EICM 是 Enhanced Integrated Climatic Model 的缩写,2023/8/1,11,1993指南：ESALs(按服务能力换算)2002 指南：轴载谱数据货车 分类：FHWA 13中413类 交通 量：AADT，AADTT,增长率交通分布：每月，每小时，卡车类型轴载特征：轮压，轴距，

5、类型，轴重及分布轮迹侧向：分布,(3)交通设计参数,2023/8/1,12,参数输入水平：水平一 按具体路面的WIM数据计算,水平二 根据地区平均数据或路面附近的交通量确定,水平三 地区平均值,2023/8/1,13,1993指南：回弹模量和地基反应模量2002 指南：沥青路面：统一的非线性回弹模量模型水泥路面：每月按相同路表弯沉换算成K路基和碎砾石材料：随气候变化的回弹模量材料分类：AASHTO：筛分，液限，朔性指数USCS：颗粒尺寸分布，液限，塑性指数,(4)路基和非结合材料设计参数,2023/8/1,14,参数输入三种水平水平一实测(按EICM变化)水平二 季节性变化按经验公式计算CBR

6、值R-值其它材料参数水平三按材料分类(AASHTO或USCS)或经验值的年平均，无变化,2023/8/1,15,1993指南：结构层系数，排水系数，和间接劈裂试验回弹模量2002 指南：动态模量和泊松比水平一实测水平二根据室内试验公式按沥青混合料参数(级配，孔空隙类，沥青用量，沥青结合料性能)水平三经验值或按模型根据沥青标准定,(5)沥青混合料设计参数,2023/8/1,16,1993指南：弹性模量，28天抗弯和抗拉强度2002 指南：弹性模量，7，14，28和90天抗弯强度和抗拉强度，泊松比，热胀系数，热导系数，收缩系数，热比值单位重量，混合料类型水平一室内实测水平二试验公式计算水平三经验值

7、,(6)水泥混凝土材料设计参数,2023/8/1,17,1993指南：总可靠度和总标准差2002 指南：不同的路面损坏类型可采用不同的可靠度采用概率设计方法或Monte Carlo模拟精度取决于路面损坏预测模型实测和预测变异性经过LTPP数据的校正,(7)路面设计可靠度,2023/8/1,18,2.3 2002 路面设计指南的使用性能标准,末期IRI：172 英寸/英里路面Top-Down 裂缝(纵向)：1000英尺/英里路面Bottom-Up 裂缝(龟裂)：25%路面温度裂缝：1000 英尺/英里 稳定材料疲劳裂缝：25%路面总永久变形：0.75 英寸沥青层永久变形：0.25 英寸,(1)沥

8、青路面,2023/8/1,19,末期IRI：172 英寸/英里横向裂缝(开裂板%)：15接缝错台：0.12 英寸,(2)有接缝的水泥混凝土路面(JPCP),(3)连续配筋水泥混凝土路面(CRCP),有关JPCP的使用性能指标PUNCHOUT,2023/8/1,20,2.4 2002 路面设计指南优点,把路面结构设计同材料的选择和施工结合起来考虑路面损坏分析是材料性能，温度，水和荷载的相互作用结果提供更精确的设计提高路面的寿命提供费用-效益更合理的设计具有特殊的分析能力，如不同的损坏，特殊荷载，路面损坏调查评价等,2023/8/1,21,软件工作正常，所预测的路面损坏变化趋势合理提供了一个路面结

9、构分析和设计的有效工具，前提是要充分了解设计参数对路面损坏和性能的影响程度选择合理的设计输入水平对路面损坏预测影响大对路面维修设计来说，准确的评价现场路况对路面损坏预测影响大沥青路面温度裂缝对沥青结合料和混合料性能非常敏感沥青路面纵缝(Top-Down)的预测同实际相差较大有关的损坏模型必须按当地情况校正,3.2002路面设计分析软件评价,2023/8/1,22,软件安装安装2002 DG 主程序:点 击“Setup.exe”安装2002 DGEICM程序:Climatic Database InstallerSetup.exe,3.2002路面设计分析软件,(1)软件安装,主程序,EICM,

10、2023/8/1,23,第一步：建立一个新设计项目点击File-New,“Create New Project”出现 在“Project Name”键入项目名称点击”OK“,File,2023/8/1,24,第二步：输入设计参数有关设计项目的一般参数具体的交通，气候，材料，结构设计参数,没数据,输入完毕,有数据待修改,2023/8/1,25,第三步：运行计算分析水泥路面基于有限元方法沥青路面基于弹性层状体系各种路面损坏预测经验模型,等待进行,分析完毕,正在进行,2023/8/1,26,4.1 典型路面结构考虑的因素,4.典型路面结构,交通量：ESALs当地路面技术和经验当地路面材料当地路基和气

11、候条件,2023/8/1,27,4.2 各州典型路面结构,(1)印第安那州典型路面结构,全厚式沥青路面,ESALs=1030百万,9.5mm 沥青面层,19.0mm 沥青连接层,25.0mm 沥青基层,C25.0mm 沥青连接层,25.0mm 沥青基层,处理后的路基,采用AASHTO设计指南,C 表示开级配,2023/8/1,28,ESALs=110百万,2023/8/1,29,ESALs1百万,一般沥青路面,ESALs1百万,2023/8/1,30,ESALs30百万,水泥路面,ESALs30百万,沥青路肩,水泥混凝土路肩,#8表示粗矿料#53表示密级配矿料,2023/8/1,31,(2)弗

12、吉尼亚典型路面结构,沥青路面,水泥路面,采用AASHTO设计指南,2023/8/1,32,(3)加利福尼亚典型路面结构,水泥混凝土面层,沥青或贫水泥混凝土基层,碎石底基层,路基,水泥路面,设计根据：TI(交通指数)土基R-值,不采用AASHTO设计指南,2023/8/1,33,全厚式沥青路面,设计根据：TI(交通指数)和砾石当量值,一般沥青路面,2023/8/1,34,(4)伊利诺伊典型路面结构,公路水泥路面,力学方法改进的AASHTO设计指南,城市道路水泥路面,2023/8/1,35,次干线,全厚式沥青路面,主干线,2023/8/1,36,(5)亚利桑那典型路面结构,一般沥青路面,全厚式沥青

13、路面,2023/8/1,37,5.1 永久性路面的提出背景,5.永久性(Perpetual)沥青路面设计,永久性沥青路面定义全厚式 沥青路面深强(Deep-Strength)沥青路面(中厚基层+较厚面层)使用寿命可达50年的沥青路面由美国AP联盟(Asphalt Pavement Alliance)提出基本结构沥青层(底基层，连接层，面层)碎石或石灰稳定层(视路基强度定)路基,2023/8/1,38,永久性沥青路面的优点沥青路面寿命可达50年路面平整，噪音低，摩擦系数高成本效益高路面的养护维修仅限于面层沥青面层可再循环减少疲劳开裂和车辙损坏最大限度地减少自然资源的使用采用力学方法进行路面设计，

14、综合考虑疲劳开裂，车辙和温度开裂,2023/8/1,39,设计原理力学方法设计过程类似于其它结构设计方法选择控制点验算控制标准(由下至上设计),永久性路面设计过程,2023/8/1,40,疲劳开裂控制点位置：面层底面控制标准：拉应变8英寸,(1)设计标准的确定,永久性变形控制点位置：路基顶面控制标准：压应变 200,永久性路面设计控制点,5.2 永久性设计路面标准和材料要求,路基,2023/8/1,41,底基层厚度要求,路基顶面底基层厚度要求(资料来源：APA),路基强度要求Illinoi经验：CBR6。或则 路基上铺石灰稳定层或碎石层,(2)永久性路面基础要求,2023/8/1,42,(3)

15、沥青层混合料要求,沥青面层(1.53 英寸)沥青面层厚度8英寸碎石骨料温度稳定性好(改性沥青和纤维如SMA，OGFC)混合料压实后空隙率4%6%面层可循环再生沥青混合料连接层(47 英寸)SuperPave混合料抗车辙：高强，稳定，耐久沥青混合料底基层(34 英寸)SuperPave混合料防疲劳开裂：高强，有柔性,2023/8/1,43,(1)加利福尼亚(I-710),5.3 永久性路面典型结构,新修路面,旧水泥路面加铺,注：AR 标准是RTFO的Aged Residue的 缩写，表示粘度，单位是poises.,2023/8/1,44,(2)伊利诺伊(I-70),旧水泥路面加铺,2023/8/

16、1,45,(3)德克 萨 斯(I-35),3“沥青层，0.75-英寸碎石，PG 76-22,3”SMA，0.75-英寸碎石，PG 76-22,8“沥青连接层，1-英寸碎石，PG 70-22,路基,2“沥青基层，0.5-英寸碎石，PG 64-22,8“稳定底基层,新修路面,2023/8/1,46,设计软件软件名称：PerRoad 2.4软件开发：David Timm,NCAT，Auburn大学,(1)设计软件安装,5.4 永久性路面结构设计,2023/8/1,47,建立新文件点击File中SaveSAVE AS 窗口出现，键入文件名,(2)设计软件使用,建立新文件,键入文件名,2023/8/1,

17、48,输入设计参数路面结构材料和季节参数交通参数,交通参数,选择设计参数输入窗口,结构和季节参数,2023/8/1,49,路面结构材料和季节参数材料性能和变异性模量温度调整性能标准和Transfer Function,变异性输入窗口,使用性能选择窗口,模量温度调整窗口,2023/8/1,50,交通参数(轴载谱)车轴类型轴载分布轴载数增长率,轴载谱输入窗口,车轴类型,轴载数,轴载分布,增长率,2023/8/1,51,计算分析确定型计算概率型计算,计算分析和结果窗口,View Output,确定型,概率型,计算结果,2023/8/1,52,SuperPave沥青标准和混合料设计方法,交流材料之二,

18、2023/8/1,53,1.1 路用沥青传统分类方法的缺陷,(1)沥青结合料的传统试验,针入度常用试验条件：温度250C，时间5秒，荷载100克软化点环球法，球重3.5克起时温度50C加热速度50C/分钟延度 温度250C(00C)，拉伸速度5cm/分钟(1cm/分钟)粘度新沥青结合料或RTFO老化沥青，600C,1.SuperPave沥青标准和试验,注：SuperPave 是SHRP 的产物(1987-1993,5千万美金),2023/8/1,54,(2)沥青结合料的传统分级标准,按针入度的分级标准(250C)Pen 40-50:最硬Pen 60-70 和Pen 85-100：在美国最常用P

19、en 120-150Pen 200-300：最软，用在寒冷地区,按粘度的分级标准(600C，单位：100 poises)AC 2.5AC 5AC 10AC 20AC 30AC 40,注：如果粘度试验所用的沥青是薄膜烘箱老化沥青，其分级标准为 AR 1000，2000，4000，8000，和16000，单位是 poises。,2023/8/1,55,传统指标都是经验性指标，缺乏理论根据.在路面性能和传统指标之间，缺乏直接的关系.传统指标的测试，都是在某一特定温度下进行的，无法提供在其它温度下，沥青的性能.很多沥青，既是传统指标相同，但可能呈现不同的路用性能.无法有效地评价聚合物改性沥青.,(3)

20、沥青传统分级标准优缺点,2023/8/1,56,转动式薄膜烘箱(RTFO)试验(ASTM D 2872)目的：评价沥青在加热，拌和,施工期间短期 老化性能；为其它试验提供沥青试样测定指标：1630C，85分钟后质量损失,(1)SuperPave沥青测试方法,加压老化容器(PAV)试验(AASHTO PP1)目的：评价沥青服务期间长期老化性能 为其它试验提供沥青试样,1.2 SuperPave 路用沥青分类方法和标准,2023/8/1,57,旋转式粘度仪,沥青,改性沥青：毛细管式粘度易被改性材料碎块堵塞旋转式粘度仪 RV更合适,旋转式粘度仪(RV)试验(ASTM D4402)试验目的：评价沥青中

21、高温下的流动性能，如在泵送和热拌时测试仪器：旋转式共轴圆柱粘度仪，温度控制器试样尺寸：811克测试条件：20 rpm,1350C 或1630C测定内容：试验温度下的粘度。单位是cP,2023/8/1,58,弯曲小梁流变仪(BBR)试验(AASHTO TP1),试验目的：评价沥青低温流变性能试验仪器：弯曲小梁流变仪，水浴箱，控制计算机试件尺寸：6.2512.5125 mm测定条件：-180C，980 mN不变荷载，总加载时间240秒测试内容：蠕变劲度和速率,弯曲小梁流变仪,2023/8/1,59,动态剪切流变仪(DSR)试验(AASHTO TP5)试验目的：评价沥青高温下，在加热，拌和,施工和服

22、务 阶段的流变性能试验仪器：动态剪切流变仪，温度控制器，控制计算机沥青试样：新沥青 RTFO 老化沥青(热拌和施工后)PAV 老化沥青(服务后)试样尺寸：25 mm，2 mm厚圆盘(新和RTFO老化沥青 8 mm，2 mm厚圆盘(PAV 老化沥青)测定条件：220C，10弧度/秒，应力控制测试内容：复数模量(G*)和相位角(),动态剪切流变仪,=0O，完全弹性。=90O，完全粘性。,2023/8/1,60,直拉仪(DTT)试验(ASHTO TP3)试验目的：评价改性沥青的性能 有些沥青同时具有高蠕变模量和抗变形能力，BBR失效测试仪器：直拉仪，温度控制仪，红外线延伸仪，控制计算机试件尺寸：3克

23、重，40 mm长，36 mm2断面面积测试条件：1 mm/秒，测试温度0-360C测定内容：试件断裂时的应变和应力,直拉仪,2023/8/1,61,(2)基于使用性能的SuperPave 沥青标准(PG),降低沥青对永久变形(车辙)，低温开裂和疲劳开裂的影响，从而提高沥青的使用性能。充分考虑温度和加载以及加载速率的影响标准具有一致性，但温度可以变,适合于一般沥青和改性沥青无任环境(如温度)如何变化，标准具有一致性测试方法建立在良好的工程理论上测试指标和路用性能具有良好的关系不同的测试指标和结果用于评价沥青在不同的阶段(加热，拌和以及服务期间)的性能,制定原则,优点,2023/8/1,62,Su

24、perPave 沥青基本要求,安全要求：闪点2300C(新沥青)泵吸和热拌要求：最大粘度=3 Pa.s(1350C，新沥青)车辙要求：车辙系数G*/Sin1 kPa(新沥青)G*/Sin 2.2 kPa(RTFO老化沥青)G*大 小(为劲度大，弹性好的沥青)老化要求：RTFO 质量损失1%疲劳开裂要求：疲劳开裂系数 G*Sin 5000 kPa(PAV老化沥青)，确保柔弹性好低温开裂要求：蠕变劲度S 300 MPa蠕变速率 M 0.3(加载60秒时)(RTFO 和PAV 老化沥青)如果S=300600MPaDTT 应变 1%,2023/8/1,63,SuperPave沥青使用性能标准,2023

25、/8/1,64,低速和停驻车辆的影响SuperPave：90 公里/小时低速车辆：路面最高温度提高一级停驻车辆：路面最高温度挺高两级交通量的影响ESALs10 百万：路面最高温度可以提高一级ESALs30 百万：路面最高温度须挺高一级,一般沥青,优质沥青,改性沥青,路面最高和最低温度(-23o，56o),1.3 SuperPave路用沥青的选择方法,确定最高和最低空气温度七天的平均最高温度和标准差。一天最低温度平均值和标准差。交通条件,2023/8/1,65,2.SuperPave沥青混合料设计,2.1 美国沥青混合料设计方法简介,马歇尔设计方法的提出密西西比公路局工程师，Bruce Mars

26、hall，1939提出.后经美国工程兵团改进，发展成现在的ASTM D 1559.美国沥青学会(AI)的设计方法之一.,(1)马歇尔(Marshall)设计方法,马歇尔落锤击实仪,马歇尔稳定度试验仪,设计原理针对某一级配矿料，确定最佳沥青用量.考虑的因素有：稳定度和流值，密度和空隙类.试件尺寸：4 英寸(直径)，2.5英寸厚,2023/8/1,66,主要优点：试验方法相对来说简单，设备经济测定密度和空隙等混合料体积系数，有助于提高耐久性,马歇尔设计方法的优缺点主要缺点：试件的击实方法和车辆压实相差很大稳定度或流值不能确切地反映路面混合料的抗剪强度从而无法确切地预测沥青路面主要损坏之一，车辙,(

27、资料来源：AI),2023/8/1,67,(2)维姆(Hveem)设计方法,维姆设计方法的提出由原加州交通厅的沥青材料工程师，Francis Hveem，提出.后经美国ASTM改进，成为现在的ASTM D 1560和D 1561.美国沥青学会(AI)的设计方法之一美国西部尤其是加州仍然采用,设计原理针对某一级配矿料，确定最佳沥青用量。考虑的因素有：混合料的Hveem稳定度和粘聚力试件尺寸：同Marchall方法,维姆揉压机,2023/8/1,68,维姆设计方法的优缺点主要优点：试件采用揉压方法成型，和车辆对路面的压实接近Hveem稳定度和粘聚力反映混合料的抗剪强度提供许多有关混合料膨胀的参数,

28、主要缺点：有关混合料体积性能的参数不充分设备昂贵应用不广泛,维姆粘结力仪,维姆稳定度仪,(资料来源：AI和WSDOT),2023/8/1,69,(3)SuperPave设计方法,优点根据实际交通和气候情况，综合考虑沥青结合料和矿料，进行混合料设计试件采用回转压实成型，接近车辆对路面的 压实进行Superpave抗剪(SST)和间接劈裂试验，可评价路面的车辙性能,缺点测试方法复杂缺少使用经验产生的改进不明显,SuperPave能克服现行方法的缺陷吗？,2023/8/1,70,(3)矿料的选择,矿料的重要性矿料的性能对路面强度，水稳性，耐久性，抗滑性，渗透性和车辙有很大影响。根据交通量和在路面中的

29、位置，制订对性能和级配的要求。,SuperPave把矿料性能分为两类：普遍(Consensus)性能：被一致公认得性能，如棱角，矿料形状，粘土含量料源(Source)性能：同材料本身有关的性能，如磨耗性，耐久性，吸水性，有害物质的含量,矿料选择粗细矿料的普遍性能要求料源性能要求依据控制点的级配要求,用于加工矿料的石料,SuperPave矿料性能分类,2023/8/1,71,(4)各州沥青混合料设计方法,沥青结合料分级标准(至2002年底)47个州采用SuperPave标准内华达州和麻省决定采用SuperPave标准加州没计划采用SuperPave标准,混合料设计方法(至2002年底),各州混合

30、料设计方法,2023/8/1,72,根据交通量和气候条件，综合选择沥青结合料，矿料及其级配，和沥青用量。设计步骤如下：,2.2 SuperPave沥青混合料设计,(1)设计内容,SuperPave混合料设计水平,2023/8/1,73,颗粒尺寸,(2)矿料级配要求,标称最大尺寸：比第一个具有大于10%筛余量的筛大一号的筛的尺寸最大尺寸：比 标称最大尺寸大一号的尺寸,SuperPave矿料标准名称,2023/8/1,74,0.45次方级配图,目的：确定矿料的累积颗粒尺寸分布纵座标：通过百分率%横座标：颗粒尺寸(mm)的0.45次方,最大尺寸19mm,最大密度级配,最大密度的0.45次方级配图,2

31、023/8/1,75,最大密度级配：在0.45次方级配图中，连接矿料最大尺寸的直线控制点(级配曲线必须位于控制点内):通过 标称最大尺寸中号尺寸(2.36mm)最小尺寸(0.075mm)限制区(级配曲线不能穿过的区域)：位于0.3mm 和2.36mm(或4.75mm)之间，沿 最大密度级配直线的狭带。设立限制区的目的是：避免过多的砂或砂中细砂过多保证施工中易压实，防止过大的路面永久变形避免VMA过小而沥青不足影响耐久性,0.45次方级配图主要特征,2023/8/1,76,位于控制点内，绕过限制区并满足级配要求的级配颗粒尺寸分布,设计矿料结构,注：控制点和限制区的数值来源于马歇尔方法的经验 Wi

32、sconsin曲线位于限制区上方(优质砂),设计矿料结构示意图,2023/8/1,77,(3)试件制作,SuperPave回转式压实机(SGC),功能要求提供同实际路面相同的压实条件能够考虑较大的矿料能够用于拌和厂质量控制根据Texas回转式压实机改进得到,SGC的组成部分机身：马达，反应架，转动底盘加载系统：加载器，压力仪测试和记录系统试模和底板,SuperPave回转式压实机,SuperPave和马歇儿试件,6”,4.5”厚,4”,2.5”厚,2023/8/1,78,资料来源：AASHTO，2001,SuperPave试件压实回转次数的选定,2023/8/1,79,(4)数据分析,密度和空

33、隙分析毛比重，最大比重Va（沥青体积百分率）,VMA（矿料骨架间隙率），VFA（矿料间沥青含量）,资料来源：AASHTO，2001,空隙率要求,2023/8/1,80,(5)性能试验,SuperPave剪切试验(SST)简单性能试验(SPT)，如无侧限动态模量试验,(6)最佳沥青用量的确定,在设计回转次数条件下，空隙率为4%在初始回转次数条件下，空隙率11%在最大回转次数条件下，空隙率2%VMA满足要求VFA满足要求,SPT原型,(7)水稳性试验,改进的Lottman试验(AASHTO T283)原理：比较干试件和其它试件的间接抗拉试验强度,处理后的试件：真空饱和，冷冻，温水作用,2023/8/1,81,敬请指正!,